建模专题1:石墨烯-氧化石墨烯及各种纳米材料体系的构建方法
2024-04-18 14:53:41
前言
关于石墨烯，氧化石墨烯，碳纳米管，富勒烯等纳米材料体系搭建方法和工具有很多，这里只介绍目前来看最简单快捷的方式来创建这些结构方法和工具，无需任何基础，只需基本的电脑操作即可完成对这些体系的模型的构建。
1.建模工具
1.1.石墨烯及氧化石墨烯在线创建工具
1.1.1.主要功能特点:
该在线工具为李继存老师（其官网名为：哲科文）创作，主要用于创建gromacs模拟的石墨烯和氧化石墨烯结构文件。，获得该文件后可以使用vmd打开转换成（.pdb, .xyz, .mol等格式），可供其他计算模拟软件使用
- 支持中心空洞, 输出.gro(gromacs结构文件)
- 支持原子类型, 空洞类型
- 支持平移选项, 用于创建层错模型
- 支持在线预览，多种视图模式
（图1：在线工具运行的默认界面）
1.1.2. 示例
创建石墨烯结构：
创建步骤如下：
第一步：如上图2（红1）所示设置所需模型参数（这里只设置了大小（基本单元为 10x8），其他按需求选设）
第二步：如上图2（绿2所示），点击创建即可生成.gro文件数据，复制这些文字保存到.gro文本文件即可
PS:如图2（黄3所示），可以选择显示方式，或设置超晶胞
创建氧化石墨烯：
建模步骤同石墨烯，不在赘述
该氧化石墨烯的.gro文本为：
MOL: 10 8 Rcc=1.400 Rhole=0.000 Center: Ring 11.518138 16.800000
4161MOL C 1 0.061 0.070 0.0001MOL C 2 0.182 0.140 0.0001MOL C 3 0.182 0.280 0.0001MOL C 4 0.061 0.350 0.0001MOL C 5 0.303 0.070 0.0001MOL C 6 0.424 0.140 0.0001MOL C 7 0.424 0.280 0.0001MOL C 8 0.303 0.350 0.0001MOL C 9 0.546 0.070 0.0001MOL C 10 0.667 0.140 0.0001MOL C 11 0.667 0.280 0.0001MOL C 12 0.546 0.350 0.0001MOL C 13 0.788 0.070 0.0001MOL C 14 0.909 0.140 0.0001MOL C 15 0.909 0.280 0.0001MOL C 16 0.788 0.350 0.0001MOL C 17 1.031 0.070 0.0001MOL C 18 1.152 0.140 0.0001MOL C 19 1.152 0.280 0.0001MOL C 20 1.031 0.350 0.0001MOL C 21 1.273 0.070 0.0001MOL C 22 1.394 0.140 0.0001MOL C 23 1.394 0.280 0.0001MOL C 24 1.273 0.350 0.0001MOL C 25 1.516 0.070 0.0001MOL C 26 1.637 0.140 0.0001MOL C 27 1.637 0.280 0.0001MOL C 28 1.516 0.350 0.0001MOL C 29 1.758 0.070 0.0001MOL C 30 1.879 0.140 0.0001MOL C 31 1.879 0.280 0.0001MOL C 32 1.758 0.350 0.0001MOL C 33 2.001 0.070 0.0001MOL C 34 2.122 0.140 0.0001MOL C 35 2.122 0.280 0.0001MOL C 36 2.001 0.350 0.0001MOL C 37 2.243 0.070 0.0001MOL C 38 2.364 0.140 0.0001MOL C 39 2.364 0.280 0.0001MOL C 40 2.243 0.350 0.0001MOL C 41 0.061 0.490 0.0001MOL C 42 0.182 0.560 0.0001MOL C 43 0.182 0.700 0.0001MOL C 44 0.061 0.770 0.0001MOL C 45 0.303 0.490 0.0001MOL C 46 0.424 0.560 0.0001MOL C 47 0.424 0.700 0.0001MOL C 48 0.303 0.770 0.0001MOL C 49 0.546 0.490 0.0001MOL C 50 0.667 0.560 0.0001MOL C 51 0.667 0.700 0.0001MOL C 52 0.546 0.770 0.0001MOL C 53 0.788 0.490 0.0001MOL C 54 0.909 0.560 0.0001MOL C 55 0.909 0.700 0.0001MOL C 56 0.788 0.770 0.0001MOL C 57 1.031 0.490 0.0001MOL C 58 1.152 0.560 0.0001MOL C 59 1.152 0.700 0.0001MOL C 60 1.031 0.770 0.0001MOL C 61 1.273 0.490 0.0001MOL C 62 1.394 0.560 0.0001MOL C 63 1.394 0.700 0.0001MOL C 64 1.273 0.770 0.0001MOL C 65 1.516 0.490 0.0001MOL C 66 1.637 0.560 0.0001MOL C 67 1.637 0.700 0.0001MOL C 68 1.516 0.770 0.0001MOL C 69 1.758 0.490 0.0001MOL C 70 1.879 0.560 0.0001MOL C 71 1.879 0.700 0.0001MOL C 72 1.758 0.770 0.0001MOL C 73 2.001 0.490 0.0001MOL C 74 2.122 0.560 0.0001MOL C 75 2.122 0.700 0.0001MOL C 76 2.001 0.770 0.0001MOL C 77 2.243 0.490 0.0001MOL C 78 2.364 0.560 0.0001MOL C 79 2.364 0.700 0.0001MOL C 80 2.243 0.770 0.0001MOL C 81 0.061 0.910 0.0001MOL C 82 0.182 0.980 0.0001MOL C 83 0.182 1.120 0.0001MOL C 84 0.061 1.190 0.0001MOL C 85 0.303 0.910 0.0001MOL C 86 0.424 0.980 0.0001MOL C 87 0.424 1.120 0.0001MOL C 88 0.303 1.190 0.0001MOL C 89 0.546 0.910 0.0001MOL C 90 0.667 0.980 0.0001MOL C 91 0.667 1.120 0.0001MOL C 92 0.546 1.190 0.0001MOL C 93 0.788 0.910 0.0001MOL C 94 0.909 0.980 0.0001MOL C 95 0.909 1.120 0.0001MOL C 96 0.788 1.190 0.0001MOL C 97 1.031 0.910 0.0001MOL C 98 1.152 0.980 0.0001MOL C 99 1.152 1.120 0.0001MOL C 100 1.031 1.190 0.0001MOL C 101 1.273 0.910 0.0001MOL C 102 1.394 0.980 0.0001MOL C 103 1.394 1.120 0.0001MOL C 104 1.273 1.190 0.0001MOL C 105 1.516 0.910 0.0001MOL C 106 1.637 0.980 0.0001MOL C 107 1.637 1.120 0.0001MOL C 108 1.516 1.190 0.0001MOL C 109 1.758 0.910 0.0001MOL C 110 1.879 0.980 0.0001MOL C 111 1.879 1.120 0.0001MOL C 112 1.758 1.190 0.0001MOL C 113 2.001 0.910 0.0001MOL C 114 2.122 0.980 0.0001MOL C 115 2.122 1.120 0.0001MOL C 116 2.001 1.190 0.0001MOL C 117 2.243 0.910 0.0001MOL C 118 2.364 0.980 0.0001MOL C 119 2.364 1.120 0.0001MOL C 120 2.243 1.190 0.0001MOL C 121 0.061 1.330 0.0001MOL C 122 0.182 1.400 0.0001MOL C 123 0.182 1.540 0.0001MOL C 124 0.061 1.610 0.0001MOL C 125 0.303 1.330 0.0001MOL C 126 0.424 1.400 0.0001MOL C 127 0.424 1.540 0.0001MOL C 128 0.303 1.610 0.0001MOL C 129 0.546 1.330 0.0001MOL C 130 0.667 1.400 0.0001MOL C 131 0.667 1.540 0.0001MOL C 132 0.546 1.610 0.0001MOL C 133 0.788 1.330 0.0001MOL C 134 0.909 1.400 0.0001MOL C 135 0.909 1.540 0.0001MOL C 136 0.788 1.610 0.0001MOL C 137 1.031 1.330 0.0001MOL C 138 1.152 1.400 0.0001MOL C 139 1.152 1.540 0.0001MOL C 140 1.031 1.610 0.0001MOL C 141 1.273 1.330 0.0001MOL C 142 1.394 1.400 0.0001MOL C 143 1.394 1.540 0.0001MOL C 144 1.273 1.610 0.0001MOL C 145 1.516 1.330 0.0001MOL C 146 1.637 1.400 0.0001MOL C 147 1.637 1.540 0.0001MOL C 148 1.516 1.610 0.0001MOL C 149 1.758 1.330 0.0001MOL C 150 1.879 1.400 0.0001MOL C 151 1.879 1.540 0.0001MOL C 152 1.758 1.610 0.0001MOL C 153 2.001 1.330 0.0001MOL C 154 2.122 1.400 0.0001MOL C 155 2.122 1.540 0.0001MOL C 156 2.001 1.610 0.0001MOL C 157 2.243 1.330 0.0001MOL C 158 2.364 1.400 0.0001MOL C 159 2.364 1.540 0.0001MOL C 160 2.243 1.610 0.0001MOL C 161 0.061 1.750 0.0001MOL C 162 0.182 1.820 0.0001MOL C 163 0.182 1.960 0.0001MOL C 164 0.061 2.030 0.0001MOL C 165 0.303 1.750 0.0001MOL C 166 0.424 1.820 0.0001MOL C 167 0.424 1.960 0.0001MOL C 168 0.303 2.030 0.0001MOL C 169 0.546 1.750 0.0001MOL C 170 0.667 1.820 0.0001MOL C 171 0.667 1.960 0.0001MOL C 172 0.546 2.030 0.0001MOL C 173 0.788 1.750 0.0001MOL C 174 0.909 1.820 0.0001MOL C 175 0.909 1.960 0.0001MOL C 176 0.788 2.030 0.0001MOL C 177 1.031 1.750 0.0001MOL C 178 1.152 1.820 0.0001MOL C 179 1.152 1.960 0.0001MOL C 180 1.031 2.030 0.0001MOL C 181 1.273 1.750 0.0001MOL C 182 1.394 1.820 0.0001MOL C 183 1.394 1.960 0.0001MOL C 184 1.273 2.030 0.0001MOL C 185 1.516 1.750 0.0001MOL C 186 1.637 1.820 0.0001MOL C 187 1.637 1.960 0.0001MOL C 188 1.516 2.030 0.0001MOL C 189 1.758 1.750 0.0001MOL C 190 1.879 1.820 0.0001MOL C 191 1.879 1.960 0.0001MOL C 192 1.758 2.030 0.0001MOL C 193 2.001 1.750 0.0001MOL C 194 2.122 1.820 0.0001MOL C 195 2.122 1.960 0.0001MOL C 196 2.001 2.030 0.0001MOL C 197 2.243 1.750 0.0001MOL C 198 2.364 1.820 0.0001MOL C 199 2.364 1.960 0.0001MOL C 200 2.243 2.030 0.0001MOL C 201 0.061 2.170 0.0001MOL C 202 0.182 2.240 0.0001MOL C 203 0.182 2.380 0.0001MOL C 204 0.061 2.450 0.0001MOL C 205 0.303 2.170 0.0001MOL C 206 0.424 2.240 0.0001MOL C 207 0.424 2.380 0.0001MOL C 208 0.303 2.450 0.0001MOL C 209 0.546 2.170 0.0001MOL C 210 0.667 2.240 0.0001MOL C 211 0.667 2.380 0.0001MOL C 212 0.546 2.450 0.0001MOL C 213 0.788 2.170 0.0001MOL C 214 0.909 2.240 0.0001MOL C 215 0.909 2.380 0.0001MOL C 216 0.788 2.450 0.0001MOL C 217 1.031 2.170 0.0001MOL C 218 1.152 2.240 0.0001MOL C 219 1.152 2.380 0.0001MOL C 220 1.031 2.450 0.0001MOL C 221 1.273 2.170 0.0001MOL C 222 1.394 2.240 0.0001MOL C 223 1.394 2.380 0.0001MOL C 224 1.273 2.450 0.0001MOL C 225 1.516 2.170 0.0001MOL C 226 1.637 2.240 0.0001MOL C 227 1.637 2.380 0.0001MOL C 228 1.516 2.450 0.0001MOL C 229 1.758 2.170 0.0001MOL C 230 1.879 2.240 0.0001MOL C 231 1.879 2.380 0.0001MOL C 232 1.758 2.450 0.0001MOL C 233 2.001 2.170 0.0001MOL C 234 2.122 2.240 0.0001MOL C 235 2.122 2.380 0.0001MOL C 236 2.001 2.450 0.0001MOL C 237 2.243 2.170 0.0001MOL C 238 2.364 2.240 0.0001MOL C 239 2.364 2.380 0.0001MOL C 240 2.243 2.450 0.0001MOL C 241 0.061 2.590 0.0001MOL C 242 0.182 2.660 0.0001MOL C 243 0.182 2.800 0.0001MOL C 244 0.061 2.870 0.0001MOL C 245 0.303 2.590 0.0001MOL C 246 0.424 2.660 0.0001MOL C 247 0.424 2.800 0.0001MOL C 248 0.303 2.870 0.0001MOL C 249 0.546 2.590 0.0001MOL C 250 0.667 2.660 0.0001MOL C 251 0.667 2.800 0.0001MOL C 252 0.546 2.870 0.0001MOL C 253 0.788 2.590 0.0001MOL C 254 0.909 2.660 0.0001MOL C 255 0.909 2.800 0.0001MOL C 256 0.788 2.870 0.0001MOL C 257 1.031 2.590 0.0001MOL C 258 1.152 2.660 0.0001MOL C 259 1.152 2.800 0.0001MOL C 260 1.031 2.870 0.0001MOL C 261 1.273 2.590 0.0001MOL C 262 1.394 2.660 0.0001MOL C 263 1.394 2.800 0.0001MOL C 264 1.273 2.870 0.0001MOL C 265 1.516 2.590 0.0001MOL C 266 1.637 2.660 0.0001MOL C 267 1.637 2.800 0.0001MOL C 268 1.516 2.870 0.0001MOL C 269 1.758 2.590 0.0001MOL C 270 1.879 2.660 0.0001MOL C 271 1.879 2.800 0.0001MOL C 272 1.758 2.870 0.0001MOL C 273 2.001 2.590 0.0001MOL C 274 2.122 2.660 0.0001MOL C 275 2.122 2.800 0.0001MOL C 276 2.001 2.870 0.0001MOL C 277 2.243 2.590 0.0001MOL C 278 2.364 2.660 0.0001MOL C 279 2.364 2.800 0.0001MOL C 280 2.243 2.870 0.0001MOL C 281 0.061 3.010 0.0001MOL C 282 0.182 3.080 0.0001MOL C 283 0.182 3.220 0.0001MOL C 284 0.061 3.290 0.0001MOL C 285 0.303 3.010 0.0001MOL C 286 0.424 3.080 0.0001MOL C 287 0.424 3.220 0.0001MOL C 288 0.303 3.290 0.0001MOL C 289 0.546 3.010 0.0001MOL C 290 0.667 3.080 0.0001MOL C 291 0.667 3.220 0.0001MOL C 292 0.546 3.290 0.0001MOL C 293 0.788 3.010 0.0001MOL C 294 0.909 3.080 0.0001MOL C 295 0.909 3.220 0.0001MOL C 296 0.788 3.290 0.0001MOL C 297 1.031 3.010 0.0001MOL C 298 1.152 3.080 0.0001MOL C 299 1.152 3.220 0.0001MOL C 300 1.031 3.290 0.0001MOL C 301 1.273 3.010 0.0001MOL C 302 1.394 3.080 0.0001MOL C 303 1.394 3.220 0.0001MOL C 304 1.273 3.290 0.0001MOL C 305 1.516 3.010 0.0001MOL C 306 1.637 3.080 0.0001MOL C 307 1.637 3.220 0.0001MOL C 308 1.516 3.290 0.0001MOL C 309 1.758 3.010 0.0001MOL C 310 1.879 3.080 0.0001MOL C 311 1.879 3.220 0.0001MOL C 312 1.758 3.290 0.0001MOL C 313 2.001 3.010 0.0001MOL C 314 2.122 3.080 0.0001MOL C 315 2.122 3.220 0.0001MOL C 316 2.001 3.290 0.0001MOL C 317 2.243 3.010 0.0001MOL C 318 2.364 3.080 0.0001MOL C 319 2.364 3.220 0.0001MOL C 320 2.243 3.290 0.0001MOL O 321 0.485 1.785 0.1201MOL O 322 1.212 0.315 -0.1201MOL O 323 0.970 0.735 -0.1201MOL O 324 1.455 0.945 -0.1201MOL O 325 1.091 2.415 0.1201MOL O 326 0.788 1.260 0.1201MOL O 327 1.697 3.045 -0.1201MOL O 328 2.304 1.995 -0.1201MOL O 329 2.061 1.575 0.1201MOL O 330 1.819 1.575 -0.1201MOL O 331 1.697 0.525 0.1201MOL O 332 1.940 2.835 0.1201MOL O 333 1.212 3.045 -0.1201MOL O 334 1.212 2.835 -0.1201MOL O 335 1.697 1.785 -0.1201MOL O 336 1.516 2.100 -0.1201MOL O 337 1.212 2.205 0.1201MOL O 338 1.212 2.625 0.1201MOL O 339 0.242 2.835 0.1201MOL O 340 1.697 0.315 -0.1201MOL O 341 0.364 0.315 -0.1201MOL O 342 1.940 1.365 -0.1201MOL O 343 1.091 1.365 -0.1201MOL O 344 1.212 1.575 -0.1201MOL O 345 0.606 2.835 0.1201MOL O 346 0.727 3.045 -0.1201MOL O 347 1.152 1.050 -0.1201MOL O 348 1.697 2.415 -0.1201MOL O 349 0.727 1.995 -0.1201MOL O 350 2.364 0.210 0.1201MOL O 351 0.424 3.150 0.1201MOL O 352 0.242 2.205 0.1201MOL O 353 2.122 2.800 0.1461MOL H 354 2.042 2.754 0.1761MOL O 355 0.424 1.540 0.1461MOL H 356 0.345 1.494 0.1761MOL O 357 1.758 2.590 -0.1461MOL H 358 1.758 2.498 -0.1761MOL O 359 2.122 1.120 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1.921 0.956 -0.1761MOL O 395 1.637 0.700 -0.1461MOL H 396 1.637 0.608 -0.1761MOL O 397 0.182 3.220 0.1461MOL H 398 0.261 3.174 0.1761MOL O 399 0.909 0.980 0.1461MOL H 400 0.830 1.026 0.1761MOL O 401 0.303 3.010 0.1461MOL H 402 0.382 2.964 0.1761MOL O 403 0.909 1.400 0.1461MOL H 404 0.909 1.308 0.1761MOL O 405 2.122 1.820 0.1461MOL H 406 2.042 1.866 0.1761MOL O 407 1.637 2.240 0.1461MOL H 408 1.716 2.286 0.1761MOL O 409 1.394 1.820 -0.1461MOL H 410 1.394 1.912 -0.1761MOL O 411 1.516 1.190 0.1461MOL H 412 1.436 1.236 0.1761MOL O 413 1.758 1.190 -0.1461MOL H 414 1.679 1.144 -0.1761MOL O 415 1.637 0.140 0.1461MOL H 416 1.716 0.186 0.1762.424871 3.360000 0.280000
1.2.Nanotube Modeler
1.1.1.主要功能特点
- 交互式图形（通过鼠标拖动旋转结构）
- 创建纳米管、纳米锥、足球烯（C60）、石墨烯片
- 创建加盖 的(9,0) 和 (5,5) 纳米管
- 管变形的应用
- 创建单壁或多壁纳米管（SWNT、MWNT）
- 导出 XYZ、JPG、BMP、PDF、MOL、XMOL、PDB、CIF、VRML、POV 文件
- 导入XY-Sheet坐标文件（可卷成管）
- 来自 IMM 的 Drexler-Merkle 分子机器的展示
- XY-Sheet 生成工具（图像搜索/手动组装）
- Nanotube Hetero-Junctions（使用 CoNTub 插件）
- 导入 XMOL 坐标文件（扭曲可以应用于纳米管数据）
- 更多加盖管 (6,6)、(10,0) 和 (10,10)
- 按平移单元数创建管
- 自定义 MWNT 输入 / 半径计算器 / MWNT 序列查找器
- 为更长的管子增加了原子数
- 彩虹色模式
- ICSD 样式原子数据块的新 CIF 输出选项
- 用于 MOL 文件导出的用户分配的债券订单
- 为加盖管选择一个或两个盖子
- 超长管 (>100,000 A)
- 导出绑定连接文件
- 导出.mlm文件（敏捷分子）
- 导出纳米孔阵列
- 导出 VRML1.0（除了 VRML2.0）
- 多层石墨烯片
- 多层石墨烯片的旋转选项
- 新功能(1.7.0)：添加了二十面体病毒几何生成器
- 新(1.7.1)：新的可自定义类型（AlP、GaP 等）
- 新增 (1.7.3)：与 Windows 7 相关的错误修复
- 新 （1.8.0）：免费解锁版
1.1.2. 示例
创建石墨烯：
创建步骤：
第一步：选择模型参数（select Type）如上图（1.结构类型（石墨烯，碳纳米管，C60等），2.原子类型（c-c,B-N,Ca-N等），3.大小，上图绿色框部分按需求选设）
第二：创建，点击如上图所示三角形即可预览
第三步:导出文件File---->Export Structure---->(XYZ、JPG、BMP、PDF、MOL、XMOL、PDB、CIF、VRML、POV)等格式文件
其他示例：
1.3 Materails Studio
1.3.1 主要功能特点
Materials Studio软件拥有十分强大的建模功能，其界面友好的优点对于初学理论计算的朋友来说是一个很大的福利，经过简单的摸索之后即可上手，进行建模。网上内容很多，这里不在赘述，利用ms可以按照需求建出任何理论上合理的分子模型，以上建模工具生成的模型均可使用MS进行模型的加工处理，支持的结构文件也是很多的。
1.4 参考
1.哲科文:石墨烯在线创建工具
1.5 最后
由于该在线工具被部署在githup上，国内用户使用时可能有时候连不上而无法使用，为此笔者将在线工具(一个html文件)下载到了本地，只需在有网络的情况下使用浏览器（推荐chrome）打开该文件即可使用。另外win版NanotubeModeler安装包笔者也准备好，关注公众号：“理论与计算化学初学者”，回复关键字 “建模1” 三个字即可获得以上两个建模工具。
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